Les humains
Lorsque les yeux reçoivent la lumière du soleil, la production de mélatonine par la glande pinéale est inhibée et les hormones produites maintiennent l'humain éveillé.
Lorsque les yeux ne reçoivent pas de lumière, la mélatonine est produite dans la glande pinéale et l'humain se fatigue.
Les premières recherches sur les rythmes circadiens suggéraient que la plupart des gens préféraient une journée plus proche de 25 heures lorsqu'ils étaient isolés des stimuli externes comme la lumière du jour et l'indication de l'heure. Cependant, cette recherche était erronée car elle n'a pas réussi à protéger les participants de la lumière artificielle.
Bien que les sujets soient protégés des signaux horaires (comme les horloges) et de la lumière du jour, les chercheurs n'étaient pas conscients des effets de retardement de phase des lumières électriques intérieures. Les sujets étaient autorisés à allumer la lumière lorsqu’ils étaient éveillés et à l’éteindre lorsqu’ils voulaient dormir. La lumière électrique le soir retardait leur phase circadienne. Une étude plus rigoureuse menée en 1999 par l'Université Harvard a estimé que le rythme humain naturel était plus proche de 24 heures et 11 minutes : beaucoup plus proche du jour solaire. Une étude plus récente de 2010 est cohérente avec cette recherche, qui identifiait également des différences entre les sexes, la période circadienne des femmes étant légèrement plus courte (24,09 heures) que celle des hommes (24,19 heures). heures). Dans cette étude, les femmes avaient tendance à se réveiller plus tôt que les hommes et à préférer davantage les activités matinales que les hommes, bien que les mécanismes biologiques sous-jacents à ces différences soient inconnus.
Marqueurs et effets biologiques
Les marqueurs de phase classiques pour mesurer le rythme circadien d'un mammifère sont :
- Sécrétion de
- mélatonine par la glande pinéale,
- température corporelle centrale minimale, et
- niveau plasmatique de cortisol.
Pour les études de température, les sujets doivent rester éveillés mais calmes et semi-allongés dans l'obscurité pendant que leur température rectale est prise en continu. Bien que la variation soit grande parmi les chronotypes normaux, la température moyenne de l'adulte humain atteint son minimum vers 5h00 du matin, environ deux heures avant l'heure habituelle de réveil.
Baehr et al. ont constaté que, chez les jeunes adultes, la température corporelle minimale quotidienne se situait vers 04h00 (4h00) pour les types du matin, mais vers 06h00 (6h00) pour les types du soir. Ce minimum s'est produit approximativement au milieu de la période de sommeil de huit heures pour les types matinaux, mais plus près du réveil pour les types soir.
La mélatonine est absente du système ou indétectablement faible pendant la journée. Son apparition dans la pénombre, l'apparition de la mélatonine dans la pénombre (DLMO), vers 21h00 (21h00), peut être mesurée dans le sang ou la salive. Son principal métabolite peut également être mesuré dans l'urine du matin.
Le DLMO et le point médian (dans le temps) de la présence de l'hormone dans le sang ou la salive ont été utilisés comme marqueurs circadiens. Cependant, des recherches plus récentes indiquent que la compensation de la mélatonine pourrait être le marqueur le plus fiable. Benloucif et al. ont découvert que les marqueurs de phase de la mélatonine étaient plus stables et plus fortement corrélés au moment du sommeil qu'à la température centrale minimale. Ils ont découvert que le décalage du sommeil et celui de la mélatonine sont plus fortement corrélés aux marqueurs de phase que le début du sommeil. De plus, la phase de diminution des niveaux de mélatonine est plus fiable et stable que la fin de la synthèse de mélatonine.
D'autres changements physiologiques qui se produisent selon un rythme circadien incluent la fréquence cardiaque et de nombreux processus cellulaires, notamment le stress oxydatif, le métabolisme cellulaire, les réponses immunitaires et inflammatoires, la modification épigénétique, les voies de réponse à l'hypoxie/hyperoxie, le stress réticulaire endoplasmique, l'autophagie. , et la régulation de l'environnement des cellules souches."
Dans une étude menée auprès de jeunes hommes, il a été constaté que la fréquence cardiaque atteint son rythme moyen le plus bas pendant le sommeil et son rythme moyen le plus élevé peu après le réveil.
Contrairement aux études précédentes, il a été constaté que la température corporelle n'a aucun effet sur les performances aux tests psychologiques. Cela est probablement dû aux pressions évolutives en faveur d'une fonction cognitive plus élevée par rapport aux autres domaines fonctionnels examinés dans des études précédentes.
En dehors de "l'horloge maîtresse"
Des rythmes circadiens plus ou moins indépendants se retrouvent dans de nombreux organes et cellules du corps en dehors des noyaux suprachiasmatiques (SCN), «l'horloge maîtresse». En effet, le neuroscientifique Joseph Takahashi et ses collègues ont déclaré dans un article de 2013 que « presque toutes les cellules du corps contiennent une horloge circadienne ». Par exemple, ces horloges, appelées oscillateurs périphériques, ont été trouvées dans la glande surrénale, l'œsophage, les poumons, le foie, le pancréas, la rate, le thymus et la peau. Il existe également des preuves que le bulbe olfactif et la prostate peuvent subir des oscillations, du moins lorsqu'ils sont cultivés.
Bien que les oscillateurs de la peau réagissent à la lumière, une influence systémique n'a pas été prouvée. De plus, il a été démontré que de nombreux oscillateurs, comme les cellules hépatiques, par exemple, réagissent à des apports autres que la lumière, comme l'alimentation.
La lumière et l'horloge biologique
La lumière réinitialise l'horloge biologique conformément à la courbe de réponse de phase (PRC). Selon le moment, la lumière peut avancer ou retarder le rythme circadien. Le PRC et l'éclairement requis varient d'une espèce à l'autre, et des niveaux de lumière plus faibles sont nécessaires pour réinitialiser les horloges chez les rongeurs nocturnes que chez les humains.
Cycles plus longs ou plus courts imposés
Diverses études sur les humains ont utilisé des cycles de veille/sommeil forcés très différents de 24 heures, comme celles menées par Nathaniel Kleitman en 1938 (28 heures) et Derk-Jan Dijk et Charles Czeisler dans les années 1990 (20 heures). Étant donné que les personnes ayant une horloge circadienne normale (typique) ne peuvent pas s'entraîner à de tels rythmes jour/nuit anormaux, on parle alors de protocole de désynchronisation forcée.
Dans le cadre d'un tel protocole, les épisodes de sommeil et d'éveil sont découplés de la période circadienne endogène du corps, ce qui permet aux chercheurs d'évaluer les effets de la phase circadienne (c'est-à-dire la timing du cycle circadien) sur les aspects du sommeil et de l'éveil, y compris la latence du sommeil et d'autres fonctions - à la fois physiologiques, comportementales et cognitives.
Des études montrent également que Cyclosa turbinata est unique dans le sens où son activité locomotrice et de construction de sites Web lui confère une horloge circadienne exceptionnellement courte, environ 19 heures. Lorsque les araignées C. turbinata sont placées dans des chambres avec des périodes de 19, 24 ou 29 heures de lumière et d'obscurité uniformément réparties, aucune des araignées n'a présenté une longévité réduite dans sa propre horloge circadienne. Ces résultats suggèrent que C. turbinata n'a pas les mêmes coûts de désynchronisation extrême que d'autres espèces animales.
Santé humaine
L'avant-garde de la recherche en biologie circadienne est la traduction des mécanismes de base de l'horloge biologique en outils cliniques, ce qui est particulièrement pertinent pour le traitement des maladies cardiovasculaires. Le timing du traitement médical en coordination avec l'horloge biologique, les chronothérapies, peuvent également bénéficier aux patients souffrant d'hypertension (pression artérielle élevée) en augmentant considérablement l'efficacité et en réduire la toxicité des médicaments ou les effets indésirables. em>.
Il a été démontré expérimentalement sur des modèles de rongeurs que la "pharmacologie circadienne" ou des médicaments ciblant le mécanisme de l'horloge circadienne réduisaient considérablement les dommages dus aux crises cardiaques et prévenaient l'insuffisance cardiaque. Il est important de noter que pour traduire de manière rationnelle les thérapies de la médecine circadienne les plus prometteuses dans la pratique clinique, il est impératif de comprendre comment elles aident à traiter les maladies chez les deux sexes biologiques.
Causes de perturbation des rythmes circadiens
Éclairage intérieur
Les exigences d'éclairage pour la régulation circadienne ne sont pas simplement les mêmes que celles pour la vision ; la planification de l'éclairage intérieur des bureaux et des institutions commence à en tenir compte. Les études animales sur les effets de la lumière dans des conditions de laboratoire ont jusqu'à récemment pris en compte l'intensité lumineuse (irradiance) mais pas la couleur, qui peut être démontrée comme « agissant comme un régulateur essentiel du timing biologique dans des contextes plus naturels ».
L'éclairage LED bleu supprime la production de mélatonine cinq fois plus que la lumière jaune-orange au sodium haute pression (HPS) ; une lampe aux halogénures métalliques, qui est une lumière blanche, supprime la mélatonine à un taux plus de trois fois supérieur à celui du HPS. Les symptômes de dépression dus à une exposition prolongée à la lumière nocturne peuvent être annulés en revenant à un cycle normal.
Pilotes de ligne et personnel de cabine
En raison de la nature professionnelle des pilotes de ligne, qui traversent souvent plusieurs fuseaux horaires et régions ensoleillées et sombres en une seule journée et passent de nombreuses heures éveillées, jour et nuit, ils sont souvent incapables de maintenir des habitudes de sommeil qui correspondent au rythme circadien naturel de l'humain ; cette situation peut facilement conduire à la fatigue. Le NTSB considère que cela contribue à de nombreux accidents et a mené plusieurs études de recherche afin de trouver des méthodes pour lutter contre la fatigue chez les pilotes.
Effet des médicaments
Des études menées sur des animaux et des humains montrent des relations bidirectionnelles majeures entre le système circadien et les drogues abusives. Il est indiqué que ces drogues abusives affectent le stimulateur cardiaque circadien central. Les personnes souffrant de troubles liés à l’usage de substances présentent des rythmes perturbés. Ces rythmes perturbés peuvent augmenter le risque de toxicomanie et de rechute. Il est possible que des perturbations génétiques et/ou environnementales du cycle normal de sommeil et d'éveil puissent augmenter la susceptibilité à la dépendance.
Il est difficile de déterminer si une perturbation du rythme circadien est responsable de l'augmentation de la prévalence de la toxicomanie ou si d'autres facteurs environnementaux tels que le stress sont à l'origine de l'augmentation de la prévalence de la toxicomanie. Des modifications du rythme circadien et du sommeil se produisent lorsqu'un individu commence à abuser de drogues et d'alcool. Une fois qu'un individu choisit de arrêter de consommer des drogues et de l'alcool, le rythme circadien continue d'être perturbé.
La stabilisation du sommeil et du rythme circadien pourrait éventuellement contribuer à réduire la vulnérabilité à la dépendance et à réduire les risques de rechute.
Les rythmes circadiens et les gènes de l'horloge exprimés dans les régions du cerveau en dehors du noyau suprachiasmatique peuvent influencer de manière significative les effets produits par des drogues telles que la cocaïne. De plus, les manipulations génétiques des gènes de l'horloge affectent profondément les actions de la cocaïne.
Conséquences d'une perturbation des rythmes circadiens
La perturbation des rythmes a généralement un effet négatif. De nombreux voyageurs ont souffert du décalage horaire, avec ses symptômes associés de fatigue, de désorientation et d'insomnie.
Un certain nombre d'autres troubles, tels que le trouble bipolaire et certains troubles du sommeil tels que le trouble de la phase de sommeil retardée (DSPD), sont associés à un fonctionnement irrégulier ou pathologique du rythme circadien. rythmes.
On pense que la perturbation des rythmes à long terme a des conséquences néfastes importantes sur la santé des organes périphériques en dehors du cerveau, en particulier dans le développement ou l'exacerbation de maladies cardiovasculaires.
Des études ont montré que le maintien d'un sommeil et de rythmes circadiens normaux est important pour de nombreux aspects du cerveau et de la santé. Un certain nombre d'études ont également indiqué qu'une sieste, une courte période de sommeil pendant la journée, peut réduire le stress et améliorer la productivité sans aucun effet mesurable sur les rythmes circadiens normaux. Les rythmes circadiens jouent également un rôle dans le système d'activation réticulaire, crucial pour maintenir un état de conscience. Une inversion du cycle veille-sommeil peut être un signe ou une complication d'une urémie, d'une azotémie ou d'une lésion rénale aiguë. Des études ont également permis d'élucider comment la lumière a un effet direct sur la santé humaine grâce à son influence sur la biologie circadienne.
Relation avec les maladies cardiovasculaires
L'une des premières études visant à déterminer comment la perturbation des rythmes circadiens provoque des maladies cardiovasculaires a été réalisée chez les hamsters Tau, qui présentent un défaut génétique dans leur mécanisme d'horloge circadien. Lorsqu'ils étaient maintenus dans un cycle lumière-obscurité de 24 heures qui était « désynchronisé » avec leur mécanisme circadien normal, ils ont développé une maladie cardiovasculaire et rénale profonde ; cependant, lorsque les animaux Tau ont été élevés pendant toute leur vie selon un cycle jour-obscurité de 22 heures, ils avaient un système cardiovasculaire sain.
Les effets néfastes du désalignement circadien sur la physiologie humaine ont été étudiés en laboratoire à l'aide d'un protocole de désalignement et en étudiant les travailleurs postés. Le désalignement circadien est associé à de nombreux facteurs de risque de maladies cardiovasculaires. Des niveaux élevés de biomarqueur de l'athérosclérose, la résistine, ont été rapportés chez les travailleurs postés, indiquant le lien entre le désalignement circadien et l'accumulation de plaque dans les artères. De plus, des niveaux élevés de triacylglycérides (molécules utilisées pour stocker les acides gras en excès) ont été observés et contribuent au durcissement des artères, associé aux maladies cardiovasculaires, notamment les crises cardiaques, les accidents vasculaires cérébraux et les maladies cardiaques. Le travail posté et le désalignement circadien qui en résulte sont également associés à l'hypertension.
Obésité et diabète
L'obésité et le diabète sont associés à des facteurs génétiques et liés au mode de vie. Parmi ces facteurs, la perturbation de l'horloge circadienne et/ou le désalignement du système de synchronisation circadien avec l'environnement externe (par exemple, le cycle lumière-obscurité) peuvent jouer un rôle dans la développement de troubles métaboliques.
Le travail posté ou le décalage horaire chronique ont de profondes conséquences sur les événements circadiens et métaboliques du corps. Les animaux obligés de manger pendant leur période de repos présentent une masse corporelle accrue et une expression altérée de l’horloge et des gènes métaboliques. Chez l'homme, le travail posté qui favorise des horaires de repas irréguliers est associé à une altération de la sensibilité à l'insuline, au diabète et à une masse corporelle plus élevée.
Cancer
Le désalignement circadien a également été associé à un risque accru de cancer. Chez la souris, il a été constaté que la perturbation des gènes essentiels de l'horloge, les gènes Période (Per2, Per1), provoquée par un désalignement circadien, accélère la croissance des cellules cancéreuses chez la souris.
Cependant, le lien entre ces gènes et le cancer dépend des voies de type et des gènes impliqués. Il existe des preuves significatives qui établissent une corrélation entre le travail posté et donc le désalignement circadien et le cancer du sein et de la prostate chez l'homme.
Effets cognitifs
Une fonction cognitive réduite a été associée à un désalignement circadien. Les travailleurs postés chroniques présentent des taux accrus d'erreurs opérationnelles, des performances visuo-motrices et une efficacité de traitement altérées, ce qui peut entraîner à la fois une réduction des performances et des problèmes de sécurité potentiels. Un risque accru de démence est associé aux travailleurs de nuit chroniques par rapport aux travailleurs de jour, en particulier chez les personnes de plus de 50 ans.
